陆棚相黑色泥岩发育特征、沉积演化及页岩气勘探前景——以瓮安永和剖面牛蹄塘组为例

梁 超， 姜在兴， 郭 岭， 杨镱婷

( 中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083 )

0 引言

近年来，随着全球能源的供需失衡及对清洁能源需求的不断扩大、天然气价格的不断上涨，页岩气在非常规天然气中异军突起，其勘探开发正由北美向全球扩展, 已成为全球非常规油气资源勘探开发的新亮点[1].中上扬子地区古生代发育3套海相黑色泥岩[2-4]，笔者选取黔北地区下寒武统牛蹄塘组黑色泥岩为研究对象.近年来，人们研究黔北下寒武统牛蹄塘组岩性特征、沉积环境、层序地层、成因等，认为沉积环境是缺氧还原的环境[5].陈兰[6]、袁宏等[7]从地球化学元素角度探讨牛蹄塘组黑色泥岩的沉积环境及海平面变化.杨剑等[8]通过古地温研究判定黔北下寒武统牛蹄塘组黑色岩系的受热温度介于60～250 ℃之间，同时认为黑色页岩的主要成因模式[9]：热卤水+火山喷发物+地外物质模式；海底热泉或其他陆源等未定型模式；同生沉积和表生热液模式；海相热水成因的多阶段模式.未见就牛蹄塘组沉积环境对有机质富集的影响，以及该层段黑色泥页岩的页岩气勘探前景的研究，笔者通过“点—线—面”三位一体的方法并结合有关测试结果，揭示其沉积特征和沉积环境演化，分析陆棚环境对黑色泥岩沉积特征、分布特征、有机质保存的影响及对页岩气勘探的指导意义.

1 页岩发育环境

浅海陆棚位于近滨外侧至大陆架坡折之间,其上限位于正常浪基面附近，下限水深以下至水深一般不大于200 m的陆棚坡折带之间[10].根据陆棚的水深和水动力条件,划分为浅水陆棚和深水陆棚.浅水陆棚发育的寒武系牛蹄塘组，主要为一套黑色泥岩、粉砂质泥岩等细粒沉积，沉积物颜色以黑色和灰色为主.

1.1 浅水陆棚

浅水陆棚处于滨外浪基面之下至风暴浪基面之上的浅海陆棚区,沉积物以砂泥为主，其次为碳酸盐岩.由于水深较浅，水体动荡，常常间歇性地受到风暴、潮流和海流的影响,砂质沉积物常常被改造成席状砂、滩坝.浅水陆棚是一高能沉积环境，根据沉积特征水体识别主要以砂质沉积物为主的砂质陆棚及以泥质沉积为主的泥质陆棚.在研究区内，浅水陆棚主要沉积黑色泥岩、灰色泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩(见图1)，颜色以深灰色、灰色、黑色为主，发育块状层理、水平层理.

1.2 深水陆棚

深水陆棚处于陆棚靠大陆斜坡一侧、风暴浪基面以下的浅海区.由于水深相对较深，能量低，水体安静，沉积物常常以粒细的黑色岩系为典型特征.研究区深水陆棚主要发育于下寒武统牛蹄塘组底部，是一套以黑色泥岩、黑色炭质页岩、黑色硅质岩为主的细粒沉积(见图1)，发育水平层理.这套细粒黑色岩系具有分布广、厚度大、质纯的特点，形成于较深水环境下的还原环境，富含有机质.

图1 沙道沟剖面浅水陆棚(图(a)～(b))和永和剖面深水陆棚(图(c)～(d))泥页岩特征

2 沉积环境演化

2.1 区域地质概况

永和剖面位于贵州东部，大地构造上位于上扬子地台南缘(见图2)，其构造演化与扬子地台的区域构造演化具有一致性.

受多期构造运动的影响，黔北地区褶皱、断裂构造非常发育.褶皱以北东向或北北东向展布为主；古断裂活化现象普遍，造成不同走向的断裂切割关系复杂[11-12].根据黔北地区构造变形特征，该区以挤压变形为主，兼有走滑的性质.由于受不同时期构造长期的相互干扰和叠加，形成目前区内所见褶皱、断层发育、组合形态复杂的构造景观.

该区在震旦系沉积厚套白云岩系，覆盖在白云岩之上的为下寒武牛蹄塘组或与之对应的渣拉沟组,为一套黑色页岩.此外，在该区西南部还沉积灰色—黑色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩.覆盖于黑色页岩之上的为明心寺组砂页岩.目的层下寒武统牛蹄塘组主要出露于研究区东南部，西北部大多被剥蚀，出露较少.

图2 黔北地区构造纲要

图3 瓮安永和剖面综合分析

2.2 垂向演化

永和剖面位于瓮安县城东部，该剖面目的层为下寒武统牛蹄塘组，剖面底部为震旦系灯影组白云岩，顶部为下寒武统明心寺组灰岩，其剖面综合分析结果见图3.寒武系牛蹄塘组与震旦系分界线以白云岩向硅质岩的转换为界，灯影组发育浅灰-灰色白云岩，可见明显的风化作用导致的“刀砍纹”现象；牛蹄塘底部发育灰色-深灰色硅质岩.

根据野外露头资料，把牛蹄塘组地层划分为1个三级层序，包括海侵体系域和高位体系域.

(1)海侵体系域.位于50～105 m层段，岩性以黑色泥岩为主，黑色薄层炭质泥岩夹少量薄层粉砂质泥岩，发育块状层理和水平层理，底部为一套硅质岩沉积.海侵体系域主要为一套深水环境下的黑色泥岩沉积，此时可容空间的增大速度略大于沉积物的供给速率，形成一套退积的准层序组.在剖面中薄层的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩，是由海平面的波动造成的，即在三级旋回中海平面在总体上升的背景下出现短暂的下降，可以预见海平面上升是“阶梯式”或者周期性上升的.在体系域的分界处，泥岩颜色为黑色，岩性较纯，为薄层状的黑色泥岩，把这种黑色质纯的泥岩当做“密集段”沉积，即最大海泛面的位置.海侵体系域划分2个退积准层序组，发育黑色泥岩及黑色粉砂质泥岩，为浅海深水陆棚沉积.

(2)高位体系域.位于10～50 m层段，底部以黑色泥岩为主，往上逐渐变化为深灰色泥岩，同时粉砂岩和泥质粉砂岩含量逐渐增多，颜色变浅，在地层剖面上可以看到明显的进积序列，反映水体深度变浅的过程，即海平面的相对下降过程.总体来看，海侵体系域后期，伴随相对海平面的下降，形成一套向上变粗的高位体系域沉积体，其又可细分为2个准层序组.准层序组1主要为深灰色泥岩和深灰色粉砂质泥岩，向上粉砂质含量相对增多，为浅海浅水陆棚沉积；准层序组2主要为深灰色泥质粉砂岩，深灰色粉砂质泥岩和灰色粉砂质泥岩，为浅海砂质陆棚沉积.

2.3 连井(剖面)沉积相

在单井沉积划分的基础上，对研究区进行层序地层格架内的沉积相对比.由于该区资料有限，选择北西-南东向和北东-南西向2个剖面，阐述研究区层序地层格架内沉积相展布特征.

2.3.1 北东-南西向剖面

该剖面为北东-南西向连井(剖面)剖面，从西南向东北依次穿过开阳县芭蕉寨剖面、瓮安玉华剖面、余庆翁脚剖面、石阡县客楼镇剖面、江口县德旺剖面、松桃林潮沟剖面和吉首默戎剖面(见图4).

图4 芭蕉寨-玉华-翁脚-客楼镇-德旺-林潮沟-默戎剖面沉积相剖面

(1)海侵体系域.海侵体系域在西南部和北部偏西地区的剖面中发育相对较薄，最东部的吉首默戎厚度最大，西南的开阳县芭蕉寨最薄，同时，沿该连井剖面方向偏北侧的松桃林潮沟和江口县德旺厚度较偏南侧的永和薄.整体上海侵体系域以黑色泥岩、硅质泥岩为主，松桃林潮沟海侵体系域中黑色粉砂质泥岩厚度较大，离物源较近；西南部的开阳县芭蕉寨还发育灰绿色粉砂质泥岩、灰色粉砂质泥岩，且所占比例很大，说明芭蕉寨地区处在近物源方向.总体来看，海侵体系域时期整体为浅海沉积环境，根据黑色泥岩的厚度分布以及粉砂质泥岩的厚度和在体系域中所占比例，该剖面的沉积中心位置在东南方向.

(2)高位体系域.高位体系域时期，随着相对海平面的逐渐下降，在西南地区的芭蕉寨顶部沉积一套以泥质粉砂岩为主的浅海陆棚砂质沉积体，底部是以黑色粉砂质泥岩为主的浅水陆棚沉积体；玉华地区沉积套黑色-灰黑色泥岩，随着海平面的下降，向上泥岩颜色变浅；石阡客楼高位体系域底部沉积一套以灰黑色粉砂质泥岩为主的浅水陆棚沉积，顶部发育以泥质粉砂岩为主的砂质陆棚沉积体，总体向上岩性粒度变粗，颜色变浅代表海平面的下降；林潮沟以黑色粉砂质泥岩为主，此外还发育薄层泥质粉砂岩，吉首地区发育以灰黑色粉砂质泥岩和黑色泥岩为主的浅水陆棚沉积.总体来看，高位体系域时期，岩性呈现逆粒序、颜色向上变浅.发育以粉砂质泥岩为主的浅水陆棚沉积，在芭蕉寨和石阡县客楼镇顶部还发育以泥质粉砂岩为主的砂质陆棚.

2.3.2 北西-南东向剖面

该剖面为北东-南西向连井剖面，从西南向东北依次穿过遵义松林剖面、湄潭梅子湾剖面、石阡县客楼镇剖面和镇远清溪镇剖面(见图5).

图5 松林-梅子湾-客楼镇-镇远清溪镇剖面沉积相剖面

(1)海侵体系域.海侵体系域在西部偏西地区的剖面中发育相对较薄，向东部的石阡县客楼镇和镇远清溪镇厚度增加，最东部的清溪镇厚度最大，自西向东水深加深，海平面上升.整体上海侵体系域以黑色泥岩、硅质泥岩为主，东部的清溪镇海侵体系域中黑色泥岩厚度较大，离物源较远；西部的遵义松林发育灰色粉砂质泥岩，说明松林地区处在近物源方向.总体来看，海侵体系域时期整体为浅海沉积环境，根据黑色泥岩的厚度分布以及粉砂质泥岩的厚度和在体系域中所占比例，该剖面的沉积中心位置在东南方向.

(2)高位体系域.高位体系域时期，随着相对海平面的逐渐下降，在西部地区的遵义松林剖面顶部沉积一套以灰色泥质粉砂岩为主的浅海陆棚砂质沉积体，底部是以黑色粉砂质泥岩为主的浅水陆棚沉积体；石阡县客楼镇高位体系域底部沉积一套以灰黑色粉砂质泥岩为主的浅水陆棚沉积，顶部发育以泥质粉砂岩为主的砂质陆棚沉积体，整体上岩性粒度变粗，颜色变浅代表海平面的下降；镇远清溪镇发育以灰黑色泥岩为主的浅水陆棚沉积.总体来看，高位体系域时期，岩性呈现逆粒序、颜色向上变浅.发育以粉砂质泥岩为主的浅水陆棚沉积，在遵义松林和石阡县客楼镇顶部还发育以泥质粉砂岩为主的砂质陆棚.

海侵体系域地层厚度东南部相对较大，为该时期的沉降中心，黑色泥岩也是在东南部地区发育较厚，因此也是沉积中心所在处；高位体系域时期，地层厚度自东南厚度略有增大，说明沉降中心向东南偏移，黑色和灰色泥岩总厚度也具有向东南增大的趋势，因此沉积中心也向东南部有所迁移.此外，西南方向的开阳县芭蕉寨粒度较粗，西南方向是近物源方向.

3 沉积相平面展布特征

3.1 地球化学元素

黄铁矿在海盆中沉积具有规律性，随着氧化还原作用的强弱，黄铁矿质量分数随还原性增强而增大[10,13-15].黄铁矿是指示氧化还原条件的地化指标，它与沉积环境的还原性有良好的相关性[10,15]，可以通过其质量分数变化指示氧化还原条件，揭示水深变化.黔北地区黄铁矿质量分数见图6(a).由图6(a)可以看出，研究区黄铁矿质量分数向工区东南部逐渐增加，表明向东南方向，水体还原性增强，水深加深.

伊利石是黏土矿物中较稳定的继承性矿物，其在黏土矿物中的相对质量分数随着搬运距离的增加而增加[10,16-17].根据黔北地区伊利石质量分数测试分析结果，黏土矿物中伊利石的质量分数具有一定的趋势性(见图6(b)).总体来看，向工区东南部质量分数增加，在工区西部存在一个较小的高质量分数凸体.因此，物源主要来自西北方向，在西部偏南方向存在凸起提供少量物源，导致西部出现伊利石质量分数的高凸起.

图6 黔北地区地球化学元素质量分数等值线分布特征

分析黄铁矿及黏土矿物中伊利石质量分数的变化，该区古地貌具有西北高、东南低的特点，水深向东南部加深，物源主要来自西北部，少量来自西南部.

3.2 沉积相展布

通过统计研究区内13条露头剖面的各个体系域的地层厚度、黑色泥岩厚度、灰色粉砂质泥岩厚度、灰色泥质粉砂岩厚度，结合各种相标志、单井相、露头岩心相、剖面相及统计分析结果，分析和划分沉积相在平面上的展布.

(1)海侵体系域.海侵体系域沉积时期，水体相对较深，根据岩心相和露头剖面特征，在单剖面沉积相划分的基础上，进行连井沉积体系划分对比，由于海侵体系域主要发育黑色泥岩、少量灰色泥岩和灰色粉砂岩，结合黑色泥岩等厚图和地层等厚图等(见图7)，作海侵体系域的沉积相图(见图8)，其沉积相类型主要为砂质陆棚、浅水陆棚沉积、深水陆沉积.砂质陆棚主要出现在工区西部偏北方向；浅水陆棚出现于西北大部；深水陆棚分布于工区东南部，呈北西-南东走向.岩石类型主要为黑色泥岩和灰色泥岩，在工区西南和西北发育少量粉砂质泥岩.根据黑色泥岩等值线图、地层厚度等值线图，结合沉积体系平面展布可以看出,黔北地区下寒武统牛蹄塘组海侵体系域沉积时期，沉积和沉降中心位于研究区的东南部，主要物源来自西北部.

(2)高位体系域.高位体系域时期，随着相对海平面的下降，在工区陆棚砂体范围进一步扩大，浅水陆棚和深水陆棚向东南迁移，范围缩小.由西北向东南方向依次为砂质陆棚沉积、浅水陆棚沉积和深水陆棚沉积.砂质陆棚主要出现在西部；浅水陆棚在工区内大范围分布，以北偏西为主；深水陆棚出现在工区东南部，水体仍然较深，根据黑色泥岩厚度等值线图，高位体系域沉积时期，沉积中心仍然在工区的东南区域.

图7 黔北地区地球化学元素厚度等值线分布特征

4 页岩气勘探前景

陆棚环境特别是深水陆棚，在该区地区牛蹄塘组发育厚套的黑色泥页岩.牛蹄塘组沉积早期海平面处于较高位置，水体深度相对较深，主要发育厚套的细粒的沉积，黑色泥岩颜色深，质纯.由于水体安静，水底为缺氧的还原环境，使有机质被氧化而在水底大量保存，且有机质成熟度较高.海侵体系域末期，随着相对海平面的逐渐降低，形成一套以灰色泥岩、黑色泥岩和灰色粉砂质泥岩为主的高位体系域沉积体，有利于形成页岩气聚集的黑色泥岩在海侵体系域时期，主要为深水陆棚沉积环境.根据页岩气成藏机理[18-21]，陆棚环境中深水陆棚是黑色泥岩发育的良好场所，在松桃林潮沟剖面中深水陆棚沉积一厚套富有机质页岩.特别是深水陆棚环境沉积的黑色页岩富含有机质，孔隙大小为1～20 μm，微孔隙,缝宽为1～3 μm,长为几十微米不等(放大1 500倍)，且孔隙较多.根据全岩X线衍射分析、能谱分析及镜下薄片观察结果，石英质量分数较高，林潮沟剖面样品石英质量分数为60%.黑色页岩具有较好的压裂条件，有利于页岩气开发(见图9).

图8 沉积体系平面展布

图9 松桃林潮沟剖面柱状图(左)及电镜图(右上，×1 500)、显微组分(右下，×800)

5 结束语

陆棚环境特别是深水陆棚是黑色页岩发育的有利环境.在永和剖面牛蹄塘组沉积时期，沉积环境主要为浅水陆棚和深水陆棚，在牛蹄塘组沉积早期主要发育深水陆棚沉积，随着后期海平面的下降，水体变浅，发育浅水陆棚沉积.该区深水陆棚沉积的黑色页岩粒度细、颜色深、岩性纯且富含有机质.深水陆棚环境中黑色页岩厚度较大，微观上牛蹄塘组黑色页岩富含有机质且硅酸盐含量较高易于压裂.深水陆棚环境沉积的牛蹄塘组黑色页岩为该区勘探重点区域.